楊斯泐，郭晨曦

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

鐵路供電技術(shù)

動車組電壓互感器現(xiàn)場局部放電測試技術(shù)研究

楊斯泐，郭晨曦

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

從絕緣事故發(fā)生的原因進(jìn)行分析，針對現(xiàn)場局部放電現(xiàn)測試的各種干擾源，提出抑制和解決的方法。采取適當(dāng)?shù)目垢蓴_措施后，對動車組電壓互感器進(jìn)行局部放電檢測，能有效發(fā)現(xiàn)互感器內(nèi)部缺陷。通過現(xiàn)場測試證明，局部放電檢測是一種能夠提前發(fā)現(xiàn)互感器潛在隱患的重要測試手段。

動車組；電壓互感器；局部放電；

在動車組整個高壓系統(tǒng)中，電壓互感器是直接聯(lián)于27.5 k V高壓側(cè)，因此一旦發(fā)生事故，往往會造成動車組高壓系統(tǒng)故障，導(dǎo)致動車組臨時停車和運營事故。近幾年來，隨著動車組運營線路的增加和服役時間的延長，高壓系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，但各型動車組高壓互感器絕緣事故時有發(fā)生，對高速鐵路安全運行構(gòu)成威脅。現(xiàn)場沒有有效而快捷的方法來檢測絕緣內(nèi)部常存在的弱點，暴露出運行維護(hù)方法和檢測手段的缺失，為此，需加強(qiáng)對動車組高壓系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性試驗，發(fā)現(xiàn)問題設(shè)備，及時更換，避免事故范圍擴(kuò)大。

國內(nèi)動車組暴露出的絕緣問題需要一種常規(guī)而有效的方法進(jìn)行驗證和檢測，而高壓設(shè)備現(xiàn)場局部放電測試技術(shù)是一種有效的方法。動車組變壓器，互感器，電纜，絕緣子等高壓設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，內(nèi)部發(fā)生局部放電的原因很多，如果設(shè)計不當(dāng)，局部場強(qiáng)過高，工藝上有缺陷使絕緣中含有氣泡，在運行中油質(zhì)劣化分解出氣泡，機(jī)械振動和熱脹冷縮造成局部開裂出現(xiàn)氣泡。在這些情況下，在外施電壓下都會發(fā)生局部放電。放電的能量很微弱，可能暫時不會影響設(shè)備的短時絕緣強(qiáng)度，但日積月累將引起絕緣老化，最后可能導(dǎo)致整個絕緣在正常電壓下發(fā)生擊穿。根據(jù)動車組高壓設(shè)備在不同電壓下的局部放電強(qiáng)度和發(fā)展趨勢，來判斷絕緣體內(nèi)部是否存在缺陷和絕緣介質(zhì)目前的狀態(tài)和老化情況。從而通過現(xiàn)場的局部放電測試對動車組高壓系統(tǒng)絕緣狀態(tài)進(jìn)行評估和分析，有助于保證高速動車組高壓系統(tǒng)的整體安全。

1　動車組高壓絕緣事故原因與分析

1.1動車組電壓互感器的標(biāo)準(zhǔn)討論

由于動車組原型車是基于IEC或者歐洲標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，動車組所使用電壓互感器選型時額定絕緣水平普遍采用IEC標(biāo)準(zhǔn)中35 kV電力系統(tǒng)電壓等級數(shù)值，部分采用36，70，170 kV標(biāo)準(zhǔn)等級。由于35kV電壓等級為三相間的線電壓，對地相電壓僅為20.8 kV，低于中國鐵路牽引供電系統(tǒng)所采用的25 kV電壓等級。

從實際運營情況來看，由于動車組電壓互感器絕緣水平并不能滿足實際的要求，隨著動車組運營年限的增加，絕緣事故的發(fā)生呈現(xiàn)增多的趨勢。甚至一部分存在氣泡或裂紋缺陷的電壓互感器開始出現(xiàn)炸裂事故。

1.2高壓電壓互感器絕緣事故

（1）某動車組運行途中出現(xiàn)高壓互感器破損事故如圖1?；ジ衅髡训臄嗝嬗幸后w流出，互感器內(nèi)部絕緣損壞，繞組局部出現(xiàn)短路和過熱情況?；ジ衅骶€圈中的絕緣漆緩慢受熱，由于其外包覆的樹脂材料阻止熱量的發(fā)散，導(dǎo)致熱量的積累并使絕緣漆融化并最終擊穿短路，導(dǎo)致互感器炸裂。爆裂后高壓互感器與連接線端子在運行途中對高壓互感器內(nèi)側(cè)面造成了打擊，造成高壓互感器內(nèi)側(cè)面?zhèn)闳谷笨凇?/p>

（2）某動車組停放存車線擔(dān)當(dāng)熱備車期間發(fā)生05車2位端高壓互感器破損，對車頂破損部件及其他設(shè)備進(jìn)行檢查后，發(fā)現(xiàn)高壓互感器破損面存在明顯的氣孔，初步分析為高壓互感器自身質(zhì)量問題，導(dǎo)致互感器原邊產(chǎn)生大電流，使得互感器內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱量，最終導(dǎo)致互感器破損，見圖1～圖2。

導(dǎo)致互感器損壞的可能原因有：①高壓互感器自身制造缺陷，如絕緣體澆筑時存在氣孔、雜質(zhì)等導(dǎo)致其在運用過程中發(fā)生局部放電，逐步破壞內(nèi)部絕緣而引起匝間短路并導(dǎo)致互感器過熱；②系統(tǒng)過電壓造成互感器絕緣破壞，一次線圈匝間或?qū)娱g出現(xiàn)短接，進(jìn)而產(chǎn)生大電流，使得互感器內(nèi)部非正常發(fā)熱，當(dāng)互感器內(nèi)部熱量積聚到一定程度后，導(dǎo)致互感器炸裂；③在多種因素下，互感器與接觸網(wǎng)耦合產(chǎn)生鐵磁諧振，線圈磁飽和后，互感器內(nèi)部積聚熱量無法釋放后炸裂；④如果固體絕緣中存在氣泡缺陷，那么在運行電壓下，氣泡內(nèi)將不斷發(fā)生局部放電現(xiàn)象，這種長期的局部放電所產(chǎn)生的能量將不斷作用于氣泡周圍的固體絕緣，使得其絕緣性能不斷下降，最終失去絕緣作用導(dǎo)致?lián)舸┓烹娛鹿?。因此，一旦投入運行設(shè)備的固體絕緣中存在氣泡，那么對鐵路供電的安全是一種威脅。

圖1　破損后的電壓互感器1

通過對故障電壓互感器同類型產(chǎn)品進(jìn)行的局部放電試驗也的確發(fā)現(xiàn)了大量常規(guī)試驗所不能發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部缺陷。

實踐證明，通過局部放電試驗?zāi)苡行У匕l(fā)現(xiàn)固體絕緣內(nèi)部的裂紋和殘留氣泡等缺陷，以前由于相關(guān)的試驗標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程沒有要求對動車組干式互感器進(jìn)行局部放電試驗，只是通過交流耐壓試驗來檢查設(shè)備的好壞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)絕大部分設(shè)備都是合格的，而且投入運行的動車組干式互感器初期發(fā)生爆炸的現(xiàn)象也很少。但是隨著運行時間的延長，一部分存在氣泡或裂紋缺陷的設(shè)備開始出現(xiàn)爆炸事故。

2　電壓互感器局部放電的現(xiàn)場測試

2.1電壓互感器常規(guī)試驗與局部放電試驗對比

一些絕緣常規(guī)試驗，如介質(zhì)損耗角正切、絕緣電阻、泄漏電流等均不能有效發(fā)現(xiàn)設(shè)備的局部放電缺陷。而進(jìn)行工頻耐壓試驗時，所施加的電壓高出其額定工作電壓數(shù)倍，通常情況下該試驗可以發(fā)現(xiàn)很多絕緣材料的缺陷，尤其對局部缺陷效果非常明顯，但是也有相應(yīng)的弊端存在，即試品在進(jìn)行耐壓試驗時可能會給其絕緣帶來一定損傷，影響它的絕緣性能［1］。

局部放電試驗的試驗電壓為1.2倍設(shè)備最高電壓，該等級的試驗電壓不會損壞電壓互感器的絕緣性能，通過對互感器進(jìn)行局部放電試驗可以判定其絕緣質(zhì)量，相對來說這是一種非破壞性的試驗。相對于工頻耐壓試驗，局部放電試驗具有較高的靈敏度，對于即將投入運營或正在運營的動車組，對其電壓互感器局部放電進(jìn)行檢測，并采集和分析其測試數(shù)據(jù)，掌握其局部放電狀態(tài)與絕緣老化程度。

2.2高壓互感器絕緣狀態(tài)的局部放電測試方法

動車組電壓互感器主要采用半絕緣干式電壓互感器，而GB1207-2006電磁式電壓互感器和GB/T 7354 -2003局部放電測量［2-3］，兩個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了互感器局部放電測試的推薦方法。測量儀器的測量靈敏度應(yīng)能測出5 pC的局部放電水平。基本回路最小可測的局放值決定于Ck/Ca的值，并且受到騷擾的限制。圖3和圖4分別為互感器局部放電串聯(lián)和并聯(lián)試驗線路圖，圖5為動車組電壓互感器現(xiàn)場測試的照片。

圖3　電壓互感器局放串聯(lián)測試電路

圖4　電壓互感器局放并聯(lián)測試電路

圖3和圖4中，T為試驗變壓器；Ca為被試互感器；Ck為耦合電容器；M為局部放電測試儀；Zm為測量阻抗；Z為濾波器。

這種測試方法，當(dāng)Ca兩端因局部放電引起電壓變化△U時，經(jīng)Ck耦合到檢測阻抗Zm上，回路上即產(chǎn)生脈沖電流并在Zm上轉(zhuǎn)化為脈沖電壓，測量這個脈沖電壓來檢測局部放電。

圖5　現(xiàn)場測試照片

測量電壓互感器時，試驗電壓由被試電壓互感器次級繞組自勵磁產(chǎn)生，而不需高壓變壓器外施高壓。

試驗時，保證測量靈敏度能小于5 pC的情況下，將一明顯低于起始電壓預(yù)期值的電壓加在試品上，逐步增加電壓直到放電發(fā)生，或超過規(guī)定的局部放電測量低值。處于這一規(guī)定值時的試驗電壓就是局部放電起始電壓Ui。然后將試驗電壓升至規(guī)定值，之后再逐漸地將電壓降至放電小于同一規(guī)定值時的電壓值。在這一放電限值處的試驗電壓就是局部放電熄滅電壓Ue。然后在30 s內(nèi)測量出電壓互感器的局部放電水平。這時要注意Ui的值可能要受電壓上升速率的影響，而Ue可能會受施加電壓的幅值、持續(xù)時間和電壓下降速率的影響。然而，無論如何試驗電壓不可超過受試設(shè)備所允許施加的額定短時工頻耐受電壓。

局部放電現(xiàn)場試驗有其特殊問題。一是干擾抑制問題比試驗室測試要嚴(yán)重的多，檢測靈敏度比試驗室內(nèi)要低2個數(shù)量級，需加強(qiáng)抗干擾措施；二是如何解決試驗電源的問題，通常在互感器低壓繞組施加交流電壓，高壓側(cè)感應(yīng)出相應(yīng)的試驗電壓進(jìn)行局部放電試驗。為避免在試驗電壓下磁通密度飽和而引起勵磁電流過大，采用100～300 Hz的電源，最理想的試驗電源是同步發(fā)電機(jī)組［4］。

3　現(xiàn)場測量的抗干擾措施

局部放電試驗實質(zhì)上是一種微量檢測，各種干擾信號對檢測影響很大，測量局部放電時受到的干擾應(yīng)低到使局部放電量的測量具有足夠的靈敏度和精準(zhǔn)度。由于干擾可能與局部放電脈沖相似并且它們往往重疊，為此國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在進(jìn)行局部放電測量時，背景噪聲水平宜低于規(guī)定允許局部放電幅值的50%。高壓設(shè)備的驗收試驗及型式試驗時應(yīng)該記錄背景噪聲。明確知道是由外部干擾引起的高的讀數(shù)可以忽略。

3.1干擾源

干擾來源主要可以分為兩大類。

一類是在試品回路未通電時就有，例如動車組升降弓造成接觸網(wǎng)拉弧、無線電波、動車庫內(nèi)維修電焊、附近的高壓試驗、牽引電機(jī)、供電網(wǎng)中整流設(shè)備的可控硅的開關(guān)動作引起的，也包括檢測系統(tǒng)本身的固有噪聲。這類干擾也可能發(fā)生在電源接上但處于零電壓時，這種干擾可通過空間也可以通過供電電源或地回路耦合檢測系統(tǒng)。

另一類是當(dāng)回路通電才產(chǎn)生的，但非試品所產(chǎn)生的干擾。這種干擾常隨電壓升高而增加。這種干擾可能包括試驗變壓器、高壓引線、套管（如果它不是試品的一部分時）中的局部放電等，也包括附近動車組或試驗基地，接地不良物體的火花放電或者由高壓回路中的連接不良，例如由屏蔽罩與只作試驗用的連接導(dǎo)線之間的火花放電。試驗電壓的高次諧波處于或接近測量系統(tǒng)的頻帶時也會引起干擾。由于固態(tài)開關(guān)裝置（可控硅等）的存在，高次諧波經(jīng)常出現(xiàn)于低壓源，并且與火花觸點噪聲一起，通過試驗變壓器或者通過其他連接傳遞到試驗及測量回路。

3.2騷擾的抑制

針對現(xiàn)場測試的干擾源，在動車組停放現(xiàn)場或動車庫內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場測試，最基本的降低干擾的措施是屏蔽、濾波和接地。

3.2.1屏蔽、濾波和接地

將試驗區(qū)附近所有不參與試驗的金屬結(jié)構(gòu)妥善地接地和必要地屏蔽，避免試驗構(gòu)件出現(xiàn)尖端。

對試驗回路和測量回路的電源進(jìn)行濾波可以達(dá)到抑制干擾的效果，在電源側(cè)添加低通濾波器和隔離變壓器。選擇背景噪聲足夠低的高壓電源，以便在規(guī)定試驗電壓下對規(guī)定的局部放電值進(jìn)行測量；背景噪聲足夠低的高壓連接，以便在規(guī)定試驗電壓下對規(guī)定的局部放電值進(jìn)行測量；濾波器對電源質(zhì)量不好時尤為重要，對于現(xiàn)場測試中，必須配合良好的濾波器，進(jìn)入測試端的所有電氣連接都需要經(jīng)過濾波器，才能使局部放電試驗達(dá)到良好的效果。局部放電試驗中帶高電位的端子、連線都要采用適當(dāng)?shù)钠帘魏途鶋捍胧?，避免產(chǎn)生電暈放電。

現(xiàn)場試驗時，局部放電系統(tǒng)要設(shè)計一個單獨的接地系統(tǒng)［5］，不能和廠房的配電網(wǎng)、車間的接地網(wǎng)連接在一起。在生產(chǎn)車間內(nèi)，有許多大功率的用電設(shè)備，如天車、空調(diào)、電機(jī)等，這些設(shè)備的零線、地線、外殼接地等可能都和廠房公共地網(wǎng)連接在一起，造成公共地網(wǎng)上有太多的干擾。

圖6　電壓互感器局放平衡法測試線路

3.2.2 平衡法檢測回路

圖5中所示平衡回路可降低各種共模所產(chǎn)生的干擾，且通常使觀察者能夠區(qū)分試品中的放電和試驗回路其他部分的放電，相當(dāng)于一個差動平衡系統(tǒng)。

3.2.3信號處理和還原

一般來說，特別是在現(xiàn)場條件下，靈敏度因存在干擾而受到限制，可以使用電子電路將真正的局部放電信號和干擾分開。這些電子方法用起來需特別仔細(xì)，并且保證這些方法不能遮去有效的局部放電信號。

采用頻域和時域開窗，平均技術(shù)等措施對信號進(jìn)行處理以抑制外來干擾。但當(dāng)采用信號處理和復(fù)原技術(shù)降低背景噪聲時，這將以改變其參數(shù)顯示出來，因此能檢測出重復(fù)出現(xiàn)的脈沖。

3.3電源的選擇

提高放電測量的準(zhǔn)確性必須提高電源質(zhì)量，電源質(zhì)量好壞與其連接的電網(wǎng)關(guān)系密切，電源線是電網(wǎng)干擾傳入用電設(shè)備產(chǎn)生的干擾傳到電網(wǎng)的主要途徑，電源電壓不穩(wěn)，正弦波變形是由于線路存在高次諧波，用電設(shè)備是高次諧波產(chǎn)生的主要來源，電網(wǎng)中大功率設(shè)備多，各種電氣開關(guān)通、斷頻繁，所產(chǎn)生的高次諧波量很大，電源質(zhì)量必然較差。因此，就對電源采取下列措施［5］：

（1）盡可能使用獨立的供電系統(tǒng)，獨立使用電源變壓器和配電設(shè)施。（2）配電設(shè)施到試驗區(qū)應(yīng)采用專用電纜連接，長度最好為150～200 m，電纜采用兩芯分相銅帶屏蔽，另加電焊機(jī)線作為接地。（3）電源進(jìn)入試驗區(qū)前，應(yīng)采用雙屏蔽隔離變壓器，將供電回路與試驗回路隔離開，也可隔離部分高頻干擾。（4）隔離變壓器后連接低通電壓濾波器，截止頻率應(yīng)盡可能低。（5）控制、測量回路和照明的供電，應(yīng)與高壓用電的供電分開。

4　測試結(jié)果分析

按2.2節(jié)中動車組電壓互感器局部放電測試電路進(jìn)行試驗，樣品中包含新品和運營后替換的舊品進(jìn)行比較，保證試驗現(xiàn)場抗干擾措施到位。

測試電壓在初級線圈的高壓接線端和接地點進(jìn)行。磁路、需要接地的初級線圈端部和次級線圈的一個接線端連接在一起，并且接地。

試驗結(jié)果如表1所示

表1　互感器局部放電測試結(jié)果pC

抽樣中，3臺高壓電壓互感器的局部放電強(qiáng)度未超出標(biāo)準(zhǔn)要求。其中，舊品高壓互感器2010.431520，局部放電的強(qiáng)度比其他兩個高壓電壓互感器偏高，說明此舊品互感器絕緣水平已經(jīng)劣化，建議停用更換。

5　結(jié)論

（1）局部放電試驗是互感器預(yù)防性試驗的重要組成部分，對已投入運營的互感器，具備條件的定期進(jìn)行檢測是很有必要的，可以及時、有效地發(fā)現(xiàn)互感器內(nèi)部絕緣缺陷，預(yù)防事故的發(fā)生。

（2）通過采用屏蔽、濾波接地為主要手段，并利用平衡法能有效試驗回路，能夠在動車組試驗現(xiàn)場進(jìn)行互感器局部放電測試，靈敏度可以達(dá)到5 pC，滿足一般測試要求。

（3）在某些干擾比較復(fù)雜的地區(qū)，即使采取上述抗干擾措施后，可能仍然不足以滿足測試要求，需要研究更有針對性的動車組高壓互感器現(xiàn)場局部放電的測試方法。

［1］ 劉杜亮.動車組高壓電纜局部放電成因分析和檢測研究［D］，蘭州：蘭州交通大學(xué)，2013.

［2］ GB 1207-2006，電磁式電壓互感器［S］.

［3］ GB/T 7354-2003，局部放電測量［S］.

［4］ 張仁豫，陳昌漁，王昌長.高電壓試驗技術(shù)［M］，北京：清華大學(xué)出版社.2003.

［5］ 尹葉紅，王永超，張永波.動車組高壓電纜局部放電試驗的研究與應(yīng)用［J］，鐵道車輛，2013，（04）：11-14.

Voltage Transformer of the EMU on Site Partial Discharge Test Technology Research

YANG Sile，GUO Chenxi
（The Loco motive and Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

From the insulating paper analyzes the causes of the accident，in view of the various interference sources of the partial discharge test now，inhibition of and the solution method is put forward.After proper anti-jam ming measures are taken，the emu voltage transformer partial discharge detection，can find transformer internal defects effectively，is a kind of effective field test method of transformer potential danger ahead.

EMU；voltage transformer；partial discharge

T U266.2

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.17

1008-7842（2015）04-0075-04

1986—）男，助理工程師（

2015-02-26）